基于计算化学方法的咪唑甘油磷酸酯脱水酶抑制剂虚拟筛选与生物学活性评价

IGPD（imidazole glycerol phosphate dehydratase）is the key histidine biosynthesis enzyme in vivo in plants and microorganisms and has been proved a potential target enzyme of herbicides design. Till now, more than 50 antagonists of IGPD have been synthesized. In 2004, the crystal structure of IGPD was determined. In the previous work, we obtained 6 new structural antagonists targeted to IGPD with molecular design method. Based on the previous research works, in this study, combining the molecular docking, mechanical optimization, molecular dynamics simulation and quantum chemical calculations, the intrinsic relationship between the structure and biological activity of the known IGPD antagonists will be studied using binding energy, interaction mode（including intermolecular hydrogen bond, Van der Waals interaction, and so on）,geometric structure and electric structure information. Considering the molecular diversity and chemical synthesis feasibility, the virtual combinatorial library will be established based on natural products database, available compound database, ZINC database and the structural properties of the known IGPD antagonists. Using the virtual screening step by step, theoretical evaluation, reasonable structure design and experimental analysis, a series of novel lead compounds targeting IGPD can be obtained. Furthermore, choosing wheat（monocotyledon）and rape（di-cotyledon）as tested plants, the novel green eco-friendly herbicides will be studied using lab screening and pot experiments.

咪唑甘油磷酸酯脱水酶（IGPD）是植物和微生物体内组氨酸生物合成的关键酶，已被证明是除草剂设计的重要靶标。目前已合成获得了50多种IGPD抑制剂；2004年，IGPD晶体结构得到精确解析；申请人在前期工作中通过化学合成筛选已获得了6种靶向IGPD新型高效抑制剂。基于此，本课题拟通过分子对接、力学优化、分子动力学模拟结合量子化学计算，利用结合自由能、作用模式（分子间氢键、Van der Waals相互作用等）、几何结构、电子结构信息探究已知抑制剂结构与生物活性的内在联系；考虑分子多样性、化学合成的可能性，利用天然产物数据库、小分子数据库（ACD）、ZINC数据库以及IGPD已有抑制剂的结构特征，建立虚拟组合库；通过逐级虚拟筛选、理论评价、结构合理设计以及实验测定确定新型抑制剂先导结构；选择单子叶植物、双子叶植物作为供试植物，利用实验室初筛以及盆栽实验开展新型绿色环保除草剂的筛选。

IGPD是一种重要的潜在农药及医药分子作用靶标，由于以往缺乏对IGPD结构生物学特征的研究，相关的靶标发展滞步不前。近年来随着结构解析技术的不断发展，关于IGPD的生物学研究逐渐取得了重大突破。但相关工作表明IGPD具有高柔性和高溶剂暴露度的特殊位点，实验上难以解析其完整结构。同时由于其数千残基组成和复杂的金属配位中心，相关的理论模拟工作也充满挑战。因此，有关IGPD的研究困难与机遇并存。本项目着眼于具有挑战性研究难点，采用了先进的理论模拟技术，在现有研究基础上进一步耕耘，为IGPD的靶标发展注入了新的活力。本论文工作主要包括以下四个方面：.（1）建立了基于12-6-4 LJ势能模型的分子动力学模拟方法，通过分析五个结构相似但活性差异明显的抑制剂前线轨道分布及动态结合特征，发现了影响抑制效力的主要因素。详细分析了IGPD Mn2+中心的配位特征，修正了以往仅基于静态结构信息提出的错误假设，为含Mn2+金属酶的计算模拟提供了方法参考，也为进一步的靶标开发奠定了基础。.（2）开展了关于碳末端环区及酵母-IGPD特征环区的总长3.4 μs加速动力学模拟，揭示了IGPD环区结构的功能及动态特征，提出了“Lock-Lid”辅助配体解离的动态模型，结合酶学突变实验确定了一个全新的亚稳活性口袋，据此提出IGPD可能是有前途的高效杀菌剂靶标。.（3）进一步展开量化水平的计算模拟，依据QM:QM计算模型分析了各步催化反应的热力学及动力学性质，重现了由底物进入位点到产物开始解离的完整催化历程，重点讨论了IGPD如何通过复杂而精妙的催化细节实现其严格的底物手性选择性，研究所揭示的IGPD特殊反应特征为催化化学及结构生物学提供了重要的参考。.（4）以稻瘟病菌及立枯丝核菌-IGPD的特征环区为靶点，通过两次虚拟筛选及生测试验开发并验证了一种IGPD选择性抑制剂先导分子，并解释了其抑制效力差异的分子机理，为IGPD靶标的应用探索了新的方向。

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